Wie Lüfteraggregate elektronische Baugruppen aktiv entwärmen

Bekanntermaßen reagieren elektronische Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel Transistoren, Leistungshalbleiter und Prozessoren, sehr empfindlich auf zu hohe Betriebstemperaturen. Ohne eine wirkungsvolle Temperaturkontrolle der Elektronikbausteine kommt es oftmals zu Fehlfunktionen des Bauteils oder einer kompletten Funktionsbaugruppe, schlimmstenfalls sogar zu einem thermisch bedingten Totalschaden. Praxisversuche und -analysen zeigen, dass sich für jede 10 °C Temperaturerhöhung des Bauteils gegenüber der spezifizierten Temperaturangabe im Herstellerdatenblatt, die anzunehmende Lebensdauer um 50 Prozent reduziert.

Bild 1: Prozessorkühlkörper enthalten oft eine omnidirektionale Rippenstruktur, die eine beliebige Einbaulage des Kühlkörpers erlaubt. Fischer Elektronik

Demzufolge besteht anwenderseitig stets das Ziel, die elektronischen Bauteile mittels einem effizienten thermischen Management in dem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturfenster zu halten beziehungsweise zu betreiben. Dies ist allerdings angesichts steigender Leistungsdichten bei gleichzeitiger Bauteilgrößenreduzierung nicht immer ganz einfach und stellt die Anwender häufig vor das Problem, ein passendes Entwärmungskonzept auszuwählen.

Entwärmungskonzepte

Gemäß physikalischen Wirkprinzipien stehen hierfür Konzepte der freien (natürlichen) oder der erzwungenen (forcierten) Konvektion sowie der Entwärmung mittels Flüssigkeiten zur Verfügung. Die sinnvollste, auf die Applikation zugeschnittene Art der Entwärmung, muss anhand mehrerer Parameter ausgewählt und abgewogen werden. Thermische Grenzen bedürfen einer genauen Überprüfung, gleichfalls sind aber auch besondere Einbaubedingungen und Platzverhältnisse in der Applikation zu berücksichtigen.

Eine grobe Vorauswahl geeigneter Entwärmungskonzepte wird oftmals in der Praxis anhand des thermischen Widerstandes getroffen. Der thermische Widerstand, auch Wärmewiderstand genannt, berechnet sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Bauteiltemperatur und Applikationsumgebung sowie der abzuführenden Verlustleistung des elektronischen Bauteils gemäß Datenblatt. Die meisten Hersteller von Komponenten zur Bauteilentwärmung qualifizieren ihre Produkte in puncto Wärmewiderstand in Form von numerischen oder grafischen Angaben. Somit besteht für den Anwender die Möglichkeit, relativ einfach anhand einer groben überschlagsmäßigen Berechnung eine Vorauswahl an in Frage kommender Entwärmungskonzepte zu treffen. Noch wichtiger ist allerdings die Feststellung, ob zur Lösung der thermischen Aufgabe eine passive, eine aktive oder eine Entwärmung mittels Flüssigkeiten zum Einsatz kommen muss.

Differenzierung zwischen passiv und aktiv

Bild 2: Pin-Fin Struktur ermöglicht eine beliebige Einbaulage des Kühlköpers in Verbindung mit Luftströmungen oder einem aufgebrachten Lüftermotor, da die Luft unabhängig von der Einbaulage über die gesamte Oberfläche des Kühlkörpers strömen kann. Fischer Elektronik

Bei vielen applikationsspezifischen Entwärmungsaufgaben finden Strangkühlkörper zur Lösungsfindung sehr häufig ihren Einsatz und sind technisch als Wärmesenke benannt.  Strangkühlkörper basieren auf dem physikalischen Wirkprinzip der freien (natürlichen) Konvektion, welches in der Physik als ein Mechanismus des Wärmetransportes von einem Ort zum anderen beschrieben wird. Konvektion ist stets mit dem Transport von Teilchen verknüpft, die thermische Energie mit sich führen, wobei der Teilchentransport ausschließlich durch Auswirkungen des Temperaturgradienten hervorgerufen wird.

Aufgrund von Dichte-, Gewicht- und Temperaturunterschieden zwischen der Luft sowie dem Kühlkörper entsteht ein sogenannter Konvektionsauftrieb, das heißt der Kühlkörper nimmt die am Halbleiter entstehende Wärme auf und leitet diese über seine Oberflächenstruktur an die Umgebung ab. Naturgemäß ist bei der freien Konvektion die Richtung der Auftriebsströmung durch die Gravitation vorgegeben. Gemäß dem Patent zur Oberflächenvergrößerung mittels Kühlrippen von Franz Pichler im Jahr 1892, besitzen Kühlkörper eine mit Kühlrippen versehene Oberfläche, da eine gefaltete Ebene in Summe eine größere Oberfläche ergibt als eine ebene Fläche und somit ein deutlich besserer Wirkungsgrad gegeben ist.

Für eine optimale Nutzung des Kühlköpers bei freier Konvektion gilt es stets, eine vertikale Einbaulage anzustreben. Alle anderen Einbaulagen sind bei der Berechnung des thermischen Widerstandes mit einer Sicherheitsreserve (Verschlechterung) zu versehen. Strangkühlkörper liefern unterschiedlichste Lösungsansätze zur Entwärmung von Elektronik, nur was passiert, wenn das geplante Elektronikdesign aufgrund der Größe des benötigten Kühlkörpers sowie dessen Gewicht und dem damit verbundenen Einbauraum nicht umsetzbar ist oder auch die abzuführende Verlustleistung zu groß wird?

Im Gegensatz zu der freien Konvektion steht die erzwungene, forcierte Konvektion. Mit Hilfe von zusätzlichen Luftströmungen durch unterschiedliche Ventilatoren, lässt sich die thermische Performance eines Strangkühlkörpers bei gleicher Größe um bis zu ca. 40 Prozent steigern. Damit Strangkühlkörper bei einer zusätzlichen Luftströmung optimal arbeiten und eine möglichst barrierefreie Luftzufuhr und -abfuhr gewährleistet wird, enthalten diese meistens, wie zum Beispiel bei Prozessorkühlkörpern (Bild 1), eine omnidirektionale Rippenstruktur (Isotropie).

Diese Pin-Fin-Struktur ermöglicht eine beliebige Einbaulage des Kühlköpers in Verbindung mit Luftströmungen oder einem aufgebrachten Lüftermotor, da die Luft unabhängig von der Einbaulage über die gesamte Oberfläche des Kühlkörpers strömen kann (Bild 2). Ohne jegliche Luftbewegung sind diese Oberflächenstrukturen allerdings nicht zu empfehlen, da dem Kühlkörper bei freier Konvektion die Oberfläche genommen wird. Die genannte omnidirektionale Rippenstruktur ist durch eine mechanische Nacharbeit erreichbar und auf alle Strangkühlkörper anzuwenden.

Lüfteraggregate haben einen Luftkanal

Bild 3: Der Aufbau der Lüfteraggregate und die Geometrie der Wärmetauschflächen sind jeweils spezifisch auf einen entsprechenden Lüftermotor und dessen Leistungskennlinie abgestimmt und dadurch sehr effektiv. Fischer Elektronik

Die wirklich großen thermischen Verlustleistungen, zum Beispiel für Umrichter oder Schaltanlagen, liegen oftmals in der Größenordnung einiger Kilowatt und sind mittels der bereits genannten Strangkühlkörper oder auch mit sogenannten Hochleistungskühlkörpern nicht mehr zu entwärmen. Abhilfe leisten in diesem Fall beziehungsweise bei der Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen, lüfterunterstützte Entwärmungskonzepte, welche in der Fachsprache als Lüfteraggregate bezeichnet werden (Bild 3).

Deren Aufbau und die Geometrie der Wärmetauschflächen sind jeweils spezifisch auf einen entsprechenden Lüftermotor und dessen Leistungskennlinie abgestimmt und dadurch sehr effektiv. Dabei kommen unterschiedliche Lüfterkonzepte zum Einsatz, wobei neben den axialen und tangentialen Ventilatoren, die besseren Luftleistungswerte der Diagonal- und Radiallüftermotoren eine erhebliche Effizienzsteigerung der Wärmeableitung erbringen.

Neben den Kühlkörperlüfteraggregaten, bei denen ein Standardkühlkörper mit einem Lüftermotor zu einem Aggregat aufgebaut wird, beinhaltet die Produktgruppe der Lüfteraggregate ebenso Ausführungen als Miniatur- und Segmentlüfteraggregat. Sämtliche Lüfteraggregate bilden im zusammengebauten Zustand eine Art Rippentunnel, also eine umschlossene Fläche, so dass die vom angeschraubten Lüftermotor erzeugte Luftströmung gerichtet durch diesen Tunnel geleitet wird.

Miniaturlüfteraggregate

Die sehr schwierig im Extrusionsverfahren herstellbaren Miniaturlüfteraggregate bestehen aus einem als Rohr ausgeformten Basisprofil mit innenliegenden Rippen (Bild 4). Die umliegenden Bauteilmontageflächen nehmen die vom Bauteil produzierte Verlustwärme auf und leiten diese an die innen liegende Rippenstruktur weiter. Neben einer homogenen Wärmeverteilung ist die jeweilige Geometrie der innenliegenden Wärmetauschfläche in Sachen Rippendicke, -abstand und -höhe auf den entsprechenden Lüftermotor und dessen lufttechnischen Daten abgestimmt.

Bild 4: Die sehr schwierig im Extrusionsverfahren herstellbaren Miniaturlüfteraggregate bestehen aus einem als Rohr ausgeformten Basisprofil mit innenliegenden Rippen. Fischer Elektronik

Der axiale Lüftermotor saugt die kältere Luft aus der Umgebung an und drückt diese in Richtung der innen liegenden Rippen durch die Kanalstruktur. Nach diesem Prinzip ist in Summe eine deutlich größere Wärmemenge auf kleinstem Raum abzuführen. Der kompakte Aufbau von Miniaturlüfteraggregaten ermöglicht ebenfalls eine direkte Montage beziehungsweise Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte.

Lüfteraggregate mit Hohlrippen

Als Gesamtergebnis stellen die verschiedenartigen Lüfteraggregate in vielzähligen Applikationen eine erprobte und zuverlässige Art der aktiven Entwärmung dar. Hohlrippenlüfteraggregate sind prädestiniert für die Wärmeabfuhr größerer Wärmemengen und bieten darüber hinaus optimal angepasste Halbleitermontageflächen. Einseitig oder auch doppelseitige dicke Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung, dienen aber auch gleichzeitig als Montagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten.

Als Besonderheit sind des Weiteren der Aufbau und die Struktur des inneren Rippenkanals zu nennen. Dieser besteht aus kannelierten Hohlrippen, welche mechanisch mittels spezieller Vorrichtungen und Werkzeuge, formschlüssig und wärmetechnisch optimiert in ein extrudiertes Basisprofil aus Aluminium eingepresst werden. Gegenüber den herkömmlichen Glattrippen erzielt die hierbei eingesetzte Wellenstruktur der Hohlrippen eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades. Aufgrund der Kannelierung der einzelnen eingepressten Hohlrippen wird im Luftkanal eine turbulentere Luftströmung erzielt, was einen deutlich besseren Wärmeübergang von den Rippen zur Luft bewirkt.

Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche in Verbindung mit einer mehr turbulenten Strömung innerhalb des Rippenkanals führt zu einer sehr guten Steigerung der wärmetechnischen Performance. Nachteilig bewirkt die erhöhte Turbulenz einen höheren Staudruck, welcher der einströmenden Luft in das Aggregat entgegenwirkt. Die heutigen Axial-, Radial- oder Diagonallüftermotoren sind allerdings so leistungsstark, dass der je nach Applikation verwendete Rippenkanal des Lüfteraggregates ausreichend mit Luft durchströmt wird.

Zusammenfassung

Die forcierte Entwärmung von elektronischen Bauteilen und großen Wärmemengen, bietet viele und sehr effiziente Lösungsmöglichkeiten. Entwärmungskonzepte mittels der genannten Lüfteraggregate sind allerdings nur dann maximal, wenn die Geometrie und Oberfläche der Wärmetauschbereiche, mit dem verwendeten Lüftermotor und dessen Leistungsfähigkeit, hinsichtlich Luftvolumen und produziertem Staudruck abgestimmt sind.

(na)